Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из наиболее актуальных проблем современности является защита атмосферного воздуха от загрязнений, имеющих техногенное происхождение. К основным постоянно действующим источникам загрязнений воздушного бассейна относятся теплоэлектростанции и промышленные топливосжигатошие установки, поставляющие в атмосферу в больших количествах твердые частицы золы и сажи, а также окислы азота и серы. Для уменьшения вредных выбросов ТЭС, наряду с использованием разнообразных пылеуловителей ц фильтров, а также химических способов очистки, перспективным является организация экологически приемлемого процесса сжигания топлив, характеризующегося пониженным выходом NOx и SOx.
В связи с этим, закономерным становится все возрастающий интерес к более полному изучению физических явлений, сопровождающих горение топлива, в частности, угольной пыли в камерах сгорания.
В настоящее время в России при проектировании теплоэнергетических установок, предназначенных для сжигания природных топлив, оптимум между экономическими и экологическими параметрами находится с использованием полуэмпирического метода теплового расчета котельных агрегатов, результатов испытаний действующих паровых котлов ТЭС, а также на основе данных экспериментальных исследований, проводимых на физических моделях топочных устройств.
Активно разрабатываемые в последнее время методы численного
моделирования двухфазных течений лишены многих недостатков,
присущих упомянутым выше способам получения информации о
исследуемых процессах, и позволяют сравнительно быстро, с малыми
затратами находить оптимальные конструкторские решения при
проектировании элементов энергетического оборудования ТЭС. Поэтому
актуальной задачей является разработка адекватных математических
моделей двухфазных пространственных течений в каналах и камерах
сгорания при осложненных условиях (аэродинамически сложный характер
турбулентного движения рабочей смеси; динамическое и тепловое
взаимодействие газа и взвешенных частиц как на уровне осредненных
характеристик, так и для пульсационных величин; горение угольной пыли
при изменяющихся температуре и концентрационном составе газа;
радиационный теплообмен высокотемпературного двухфазного потока с
ограничивающими течение поверхностями; взаимодействие
полидисперсных частиц твердой фазы между собой и со стенками канала), построение надежных расчетных методов, выявление границ применимости в конкретных случаях более простых моделей.
Цель работы - создание и развитие математических моделей для исследования основных закономерностей пространственных течений и тепломассопереноса смесей газ - твердые частицы в каналах и камерах сгорания теплоэнергетических установок; разработка экономичных методов расчета течений такого типа; теоретический анализ эффективности применения ряда перспективных способов снижения выбросов вредных окислов азота и золовых частиц в атмосферу при сжигании пылеугольного топлива.
Научная новизна. В работе значительное внимание уделено разработке новых схем замыкания основной системы уравнений теории взаимодействующих и взаимопроникающих континуумов для внутренних течений газ - твердые частицы, где существенным становится влияние вращения частиц, их полидисперсности, соударения частиц между собой и с ограничивающими область движения поверхностями, массообмен между дисперсной фазой и газом, а также между отдельными фракциями частиц. Предложена новая математическая . модель для исследования турбулентных неизотермических движений газовзвеси в трубе, на основе которой получена оригинальная трактовка метода пристеночных функций для внутренних запыленных турбулентных течений. Развита вычислительная технология для проведения прямого численного моделирования турбулентного режима ожижения дисперсного материала. Разработан новый двухуровневый комплексный подход для теоретического исследования пространственных аэротермохимических процессов (в том числе и образования окислов азота), сопровождающих горение угольной пыли, как во всем топочном объеме крупногабаритных вихревых камер сгорания, так и в отдельном его элементе. Теоретически подтверждена перспективность использования ступенчатого (стадийного) сжигания пылеугольного топлива с пониженным выходом вредных окислов азота. Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Математическая модель и результаты исследования турбулентных неизотермических течений газовзвеси в трубе.
-
Закон стенки и метод пристеночных функций для ограниченных турбулентных запыленных потоков.
-
Математическая постановка задачи о расчете пространственных рециркуляционных турбулентных течений газовзвеси в каналах сложной
геометрии, теоретический анализ сепарации полидисперсных частиц в пылеуловителях инерционного типа.
-
Результаты численного исследования основных закономерностей течения и теиломассопереноса в установках с циркулирующим кипящим слоем.
-
Математические модели пространственных аэротермохимических процессов, сопровождающих факельное горение пылевидного топлива в вихревых топочных камерах.
-
Теоретический анализ некоторых схем стадийного (ступенчатого) сжигания угольной ныли в топках котлоагрегатов, применение которых позволяет снизить выбросы N0 в атмосферу.
7. Результаты исследования характерных особенностей развития
неодномерного воспламенения насыпных зарядов гранулированных
взрывчатых веществ.
Обоснованность и достоверность приведенных в работе математических моделей и полученных на их основе теоретических результатов следует из применения в исследовании современных достижений механики двухфазных сред, теории горения и теплообмена, строгости постановок математических задач, использования надежных вычислительных технологий и подтверждается результатами сопоставления расчетов с экспериментальными данными.
Практическая ценность. Результаты исследований и математические модели, приведенные в данной работе, могут быть использованы при экспертизе проектных решений по созданию пылеуловителей инерционного типа, камер сгорания с циркулирующим кипящим слоем, топочных устройств с факельным режимом сжигания пылеугольного топлива, характеризующихся пониженным выходом окислов азота, а также прл оптимизации восішаменення гранулированных метательных зарядов в баллистических установках.
Материалы проведенных исследований включены в программу читаемого в Томском государственном университете на механико-математическом факультете специального курса лекций.
Результаты расчетов аэродинамики и тепломассообмена топок с циркулирующим кипящим слоем использовались при проведении проектных и конструкторских работ по созданию паровых котлов с ЦКС в ПО "Сибэнергомаш"(г.Барнаул). Программный комплекс, реализованный на основе предложенных в диссертации математических моделей горения пылеугольного топлива в крупногабаритных камерах сгорания, передан в эксплуатацию в конструкторские отделы АО КОТЭС и ПО
"Сибэнергомаш" для анализа пространственных аэротермохимических процессов в топках паровых котлов с факельным режимом сжигания.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VII Всесоюзной конференции по тепломассообмену (Минск, 1984), XI Всесоюзном семинаре по численным методам механики вязкой жидкости (Свердловск, 1988), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы аэродинамики газовоздушных трактов котельных агрегатов" (Барнаул, 1989), Всесоюзной школе-семинаре "Современные проблемы механики жидкости и газа" (Иркутск, 1990), Всесоюзной научной школе-семинаре "Турбулентный пограничный слой" (Москва, ЦАГИ, 1991), Международной конференции по горению (Москва - Ст.Петербург, 1993), EUROTHERM семинаре #37 (Саллуджа, Италия, 1994), XIV школе-семинаре по численным методам механики вязкой жидкости (Новосибирск, 1994), 1-ом Международном симпозиуме "Two-Phase Flow Modelling and Experimentation" (Рим, Италия, 1995), Международном семинаре "Chemical Gasdynamics and Combustion of Energetic Materials" (Томск, 1995), III Международном Минском Форуме "Тепломассообмен-ММФ-96" (Минск, 1996), Международной, конференции "Circulating Fluidized Beds-5" (Пекин, Китай, 1996), Международной конференции "Сопряженные задачи механики реагирующих сред и экологии" (Томск, 1996), Международном Коллоквиуме по перспективным аналитическим и расчетным методам в теории горения (Москва, 1997), Международной конференции "Всесибирские чтения по математике и механике" (Томск, 1997).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 36 научных работах.
Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, насчитывающего 167 наименований. Весь материал изложен на 300 страницах машинописного текста, содержит 107 рисунков и 7 таблиц.